第13章 电力系统的有功功率与频率调整DOC.docx
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第13章电力系统的有功功率与频率调整DOC
第13章电力系统的有功功率与频率调整
频率是衡量电能质量的另一项重要指标,保证频率合乎标准也是系统运行调整的一项基本任务。
为了完成这项任务,最基本的一点就是要做到有功功率平衡,即电力系统内所有电源输出的有功功率必须与系统内所有的用电设备消耗的有功功率加上输配电网中所有元件损耗的有功功率相等。
有功功率怎么和频率有关系呢?
又有什么样的关系呢?
出现问题后如何协调呢?
按照以下顺序我们将对上述问题一一解答。
有谁有关系?
?
么
什
为
有什么关系?
频率
怎样调整?
图13-1第13章结构图
13-1频率调整的必要性
一频率偏移的影响
频率是电力系统运行的一个重要质量指标。
所有用电传动的旋转设备,其最高效率都是在电力系统频率为额定频率时,因此,任何频率偏移,都会造成效率的降低;其次,频率的过高或过低,还会给运行中的电气设备带来各种不同的危害。
1对用户的影响
现代工业的许多产品质量与电力系统频率有关。
例如纺织工业、造纸工业等。
这些工业使用的大多数电动机为异步电动机,频率的降低会造成异步电动机转速下降,使异步电动机所传动的生产设备生产出次品,乃至废品,如纺织品、纸张等将发生毛疵和厚薄不匀的质量问题。
一般工业由电动机传动的生产设备也会因频率下降而使生长率降低。
电力系统频率波动过大时,会使某些电子设备(如雷达)、电力电子设备等工作不正常。
2对发电厂的影响
频率变化时,对发电厂本身的影响比对用户的影响更大,其影响有:
(1)汽轮机叶片谐振电力系统低频率运行时,汽轮机低压级叶片会产生谐振,振动疲劳的积累会导致叶片出现裂纹,缩短叶片寿命,严重时会使叶片断裂,造成事故停机的严重后果。
(2)辅机功能下降火力发电厂、核能发电厂的一些主要厂用机械,例如,给水泵、循环水泵、引风机、送风机等的出力与转速的一次或高次方成正比,当频率下降时,会降低这些辅机的出力,严重影响发电机的运行。
例如,即使频率下降得不多,给水泵的出力也会大大降低,从而破坏发电厂的正常工作,甚至完全停止向锅炉供水;频率下降,会导致压水反应堆核能发电厂的一次冷却泵功能下降,影响反应堆的冷却功能,带来不良影响。
3对系统运行的影响
(1)互联电力系统解列频率下降时,为了保证正常运行,互联的大电网有可能断开系统之间的联络线;
(2)发电机解列频率下降到一定程度时,为保证发电厂设备的安全,发电厂有可能与系统解列。
可见,要想保证电力系统的正常运行,必须使频率控制在所规定的允许范围内。
这就要求对频率不断进行调整。
4规定
我国电力系统的额定频率fN为50Hz,频率偏差范围为±(0.2~0.5)Hz。
用百分数表示为±(0.4~1)%。
二有功功率负荷的变动
电力系统频率的变化是由于有功负荷变化引起的,而系统的负荷时刻在发生变化,分析负荷变动规律可见,这种不规则负荷变动可以分解为几种有规律可循的负荷变动。
一般分为三种如下。
见P111。
简而言之,电力系统中负荷变动的幅度越大、周期也越长。
负荷的变化将引起频率的偏移,因此应对发电功率作相应的调整,以使系统在要求的频率水平上达到新的平衡。
对应的电力系统有功功率和频率调整大体上也可分为一次、二次、三次三种调整,如表13-1所示。
表13-1有功功率负荷的三种调节方式
类型
特征
原因
调节方式
I
变化幅度很小、变化周期短(<10s)
随机小负荷的变化
一次调整(调速)
II
变化幅度较大、变化周期长(10s 电弧炉、电力机车 二次调整(调频) III 变化幅度最大、变化缓慢的持续变动负荷 生产、生活规律、气象 三次调整(按最优化准则分配负荷) 13-2电力系统的频率特性 电力系统的频率特性是电力系统中频率调整的依据。 这里所谓频率特性,是指有功功率-频率静态特性,常常称为功频静特性,包括系统负荷的频率特性与发电机组的频率特性。 一负荷的功频静特性 当频率变化时,系统中有功功率负荷也将发生变化。 1概念 系统处于运行稳态时,系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的静态频率特性。 2特性曲线 根据负荷需要的有功功率与频率的关系可以将负荷分为五类: (1)与频率变化无关的负荷,如照明、电阻炉、整流负荷等; (2)与频率一次方成正比的负荷,压缩机、切削机床等; (3)与频率二次方成正比的负荷,如变压器中的涡流损耗; (4)与频率的三次方成正比的负荷,如通风机、静水头阻力不大的循环水泵等; (5)与频率的更高次方成正比的负荷,如静水头阻力很大的给水泵。 因此整个系统的负荷功率与频率的关系可以写成: (13-1) 其中,PD为频率等于f时整个系统的有功负荷;PDN为频率等于额定值fN时整个系统的有功负荷, 为与频率的i次方成正比的负荷在PDN中所占的份额。 显然, (13-2) 可见负荷静态频率特性曲线整体上呈现非线性关系。 但实际上,当频率偏离额定值不大时,负荷静态频率特性常用一条直线近似表示如图13-2。 图13-2负荷的功频静特性 也就是说,在额定频率附近,系统负荷与频率呈线性关系。 系统频率下降时负荷成比例减小;系统频率上升时负荷成比例增大。 由此直线,我们引出一个定义。 3频率调节效应系数 负荷功频静特性中,直线的斜率 (13-3) 或者用标幺值表示: (13-4) KD、KD*称为负荷的频率调节效应系数,或者简称为负荷的频率调节效应。 关于KD*,有以下说明。 (1)负荷的频率调节效应说明,当系统中有功功率失去平衡而引起频率变化时,系统负荷也参与对频率的调节,这种特性有助于系统中有功功率在新的频率值下重新获得平衡。 (2)KD*会变化,其数值取决于全系统各类负荷的比重,不同系统或同一系统不同时刻KD*值都可能不同。 (3)通常取值。 在实际系统中,KD*=1~3,它表示频率变化1%,负荷有功功率相应变化(1~3)%。 (4)具体求解。 KD*的具体数据通常由试验或计算得到。 (5)意义。 KD*是调度部门必须掌握的一个数据,因为它是考虑按频率减负荷方案和低频率事故时用一次切除负荷来恢复频率的计算依据。 二发电机组的功频静特性 1概念 当系统有功功率平衡遭到破坏,引起频率变化时,原动机的调速系统将自动改变原动机的进汽量,相应增加或减少发电机的出力。 当调速器的调节过程结束,建立新的稳态时,发电机的有功出力同频率之间的关系称为发电机组的功频静态特性。 为了说明这种静态特性,必须对调速系统的作用原理作简要介绍。 2调速系统的工作原理 原动机调速系统有很多种,根据测量环节的工作原理,可以分为机械液压调速系统和电气液压调速系统两大类。 我们以离心式机械液压调速系统为例进行说明。 心式机械液压调速系统由四个部分组成如图13-3和图13-4,分别是: 图13-3调速系统 离心飞摆直接与原动机转轴相联接,直接反映原动机转速的变化。 当原动机转速恒定时,飞摆上的离心力、重力处于某一位置达到平衡。 错油门的活塞将两个油孔堵塞,油动机活塞上、下两侧的油压相等,所以活塞不移动,从而使进汽阀门的开度不变。 当负荷增加时,发电机的有功功率输出也随之增加,原动机的转速降低,因而飞摆的离心力减小。 在重力和弹簧力的作用下,飞摆靠拢到新的位置上达到各力的平衡。 于是套筒从B点下移到B'点。 此时油动机还未动作, 图13-4调速系统工作原理 所以杠杆AOB的A点仍在原处不动。 整个杠杆便以A点为支点转动,使O点下降到O'点。 杠杆DEF的D点使固定的,于是F点下移,错油门2的活塞随之向下移动,打开了通向油动机3的油孔,压力油便进入油动机活塞的下部,将活塞向上推,增大调节汽门的开度,增加进汽量,使原动机的输入功率增加,结果机组的转速便开始回升。 随着转速的上升,套筒从B'点开始回升,与此同时油动机活塞上移,使杠杆AOB的A端也跟着上升,于是整个杠杆AOB便向上移动,并带动杠杆DEF以D点为支点向上转动。 当点O以及DEF恢复到原来的位置时,错油门重新堵住两个油孔,油动机活塞的上、下两侧油压又互相平衡,它就在一个新的位置上稳定下来,调整过程结束。 这时杠杆AOB的A端由于汽门已开大而略有上升,到达A'点的位置,而O点仍保持原来位置,相应地B端将略有下降,到达B''位置,与这个位置相对应的转速,将略低于原来的数值。 由此可见,对应着增大的负荷,发电机组输出功率增加,频率低于初始值;反之,如果负荷减小,则调速器调节的结果使机组输出功率减小,频率高于初始值。 这种调整就是频率的一次调整,由调速系统中的3个元件1、2、3自动执行。 3发电机组的频率特性 反映调整过程结束后发电机输出功率和频率关系的曲线,就是发电机组的功频静特性曲线,可以近似表示为一条向下倾斜的直线,如图13-5所示。 图13-5发电机组的频率特性 4特性参数 (1)静态调差系数 任取两点,定义机组的静态调差系数 (13-5) 以额定参数为基准的标幺值表示为 (13-6) 式中的负号是由于习惯上调差系数取正值,而频率变化量的符号又恰与功率变化量的符号相反。 它可以定量表明某台机组负荷改变时相应的频率偏移。 例如,当 ,则负荷改变1%,频率将偏移0.05%;如负荷改变20%,则频率将偏移1%(0.5Hz) 取点2为额定运行点,即P2=PGN,f2=fN;取点1为空载运行点,即P1=0,f1=f0。 使得 (13-7) 用标幺值表示为 (13-8) 用百分数表示为 (13-9) 因此,也把调差系数叫做调差率。 (2)功频静特性系数(机组的单位调节功率) 调差系数的倒数定义为发电机组的功频静特性系数,也称为机组的单位调节功率。 (13-10) 标幺值表示为: (13-11) 关于δ和KG,有以下说明。 (1)KG的数值表示频率下降或上升1Hz时发电机组增加或减少的输出功率,负号表示频率下降时发电机组有功出力增加。 (2)与负荷的频率调节效应系数KD不同,发电机的调差系数δ或对应的单位调节功率KG是可以整定的。 从公式(13-7)中可以看出,调差系数的大小对频率偏移的影响很大,对相同的功率变化,调差系数δ越小,KG越大,则频率偏移也越小。 不过受机组调速机构的限制,调差系数的调整范围是有限的,典型调节系数如表13-2所示。 表13-2发电机组的典型静态调差系数 δ* KG* 汽轮机组 0.03~0.05 33.3~20 水轮机组 0.02~0.04 50~25 三电力系统的功频静特性 电力系统的功频静特性曲线同时考虑负荷及发电机组的调节效应,由负荷的功频静特性曲线PD(f)与发电机组的功频静特性曲线PG(f)相交得到,如图13-6所示,反映了电力系统负荷变化引起的频率波动。 交点a确定了系统的频率为f1和发电机组输出的有功功率为P1。 也就是说,在频率为f1时达到了发电机组有功输出与系统的有功需求之间的平衡。 图13-6电力系统的功频静特性 13-3电力系统的频率调整 一一次调整 1概念 负荷变化引起频率偏差时,系统中凡装有调速器又留有可调容量的发电机组都自动参加频率调整,这就是电力系统频率的一次调整。 2单机系统 为简单起见先考虑一台机组和一个负荷的情况如图13-7所示。 负荷和发电机组的静态特性如下图。 在原始运行状态下,负荷的功频特性为PD(f),它同发电机静特性的交点a确定了系统的频率为f1,发电机组的功率也就是负荷功率为P1。 图13-7单机系统频率的一次调整 设系统的负荷增加了ΔPD0,其特性曲线由PD(f)移至P'D(f),发电机组仍然是原来的特性,那么新的稳态运行点将由P'D(f)和发电机组的静态特性的交点b决定,与此相对应的系统频率为f2。 下面我们分别来看看发电机和负荷的调节效应。 (1)发电机的调节效应 由图可见,频率变化了Δf,且 Δf=f2-f1<0(13-12) 由发电机组的功频静特性可得发电机组功率输出的增量为 ΔPG=P2-P1=-KGΔf(13-13) (2)负荷的频率调节效应 由负荷的功频静特性,频率变化所产生的负荷功率变化为 ΔPD=KDΔf(13-14) 由于Δf<0,故ΔPD<0。 故负荷功率的实际增量为 ΔPDr=ΔPD0+ΔPD=ΔPD0+KDΔf(13-15) (3)总调节效应 负荷的实际增量应同发电机组的功率增量相平衡,即 ΔPG=ΔPDr=ΔPD0+KDΔf(13-16) 所以 ΔPD0=ΔPG–KDΔf=-KGΔf–KDΔf=-(KG+KD)Δf=-KΔf(13-17) 上面分析说明,系统负荷增加时,在发电机功频特性和负荷本身的调节效应共同作用下又达到了新的功率平衡。 一方面,负荷增加,频率下降,发电机按有差调节特性增加输出,另一方面负荷实际取用的功率也因频率的下降而有所减小。 (4)系统的单位调节功率K 上式中, (13-18) 称为系统的功率-频率特性系数,或系统的单位调节功率。 关于K,有以下三点说明。 a它表示在计及发电机组和负荷的调节效应时,引起频率单位变化的负荷变化量。 b根据K值的大小,可以确定在允许的频率偏移范围内,系统所能承受的负荷变化量,负号表示负荷增加时频率减小。 c显然,K的数值越大,负荷增减引起的频率变化就越小,频率越稳定。 (5)系统的备用系数kr K采用标幺值表示时, (13-19) 两边均除以PDN/fN,有 (13-20) 即 (13-21) 其中 称为系统的备用系数,表示发电机组额定容量与系统额定频率时的总有功功率之比。 一般kr>1。 (6)备用系数kr的意义 如果在初始状态下,发电机组已经满载运行,即运行在图13-18的a点。 图13-8备用系数的意义 在a点以后,PGN恒定,静态特性是一条与横轴平行的直线,即KG*=0。 当系统的负荷再增加时,发电机已经没有可调节的容量,不能再增加输出了,只能靠频率下降后负荷本身的调节效应来取得新的平衡。 这时K*=KD*,由于KD*数值很小,负荷增加所引起的频率下降就相当严重了。 由此可见,系统中有功功率电源的出力不仅应满足在额定频率下系统对有功功率的需求,并且为了适应负荷的增长,还应该有一定的备用容量。 3多机系统 当n台装有调速器的机组并联运行时,可根据各机组的调差系数和单位调节功率算出其等值调差系数δ(δ*),或算出等值单位调节功率KG(KG*),再按一台机组时的分析方法,进行频率的一次调整。 当系统频率变动Δf时,第i台机组的输出功率增量为 ΔPGi=-KGiΔf(i=1,2,……,n)(13-22) KGi为第i台机组的功频静特性系数。 所以n台机组输出功率总增量为 (13-23) 为系统中n台机组的等值功频静特性系数。 显然n台机组的等值单位调节功率远大于一台机组的单位调节功率,因此在输出功率变动值ΔPG相同的情况下,多台机组并列运行时的频率变化比一台机组运行时要小得多。 KG也可以用标幺值表示,但并不是 ,而是 (13-24) 所以 (13-25) 又因为 可以表示为: (13-26) 其中 ,有 (13-27) (13-28) 注意,在计算KG时,若第j台机组已满载运行,当负荷增加时应取KGj=0。 求出等值单位调节功率KG后,就可像一台机组时一样来分析频率的一次调整。 利用式 (13-29) 可算出负荷功率初始变化量ΔPD0引起的频率偏差Δf。 而各台机组所承担的功率增量则为 (13-30) 或 (13-31) 可见,调差系数越小的机组增加的有功出力(相对于本身的额定值)就越多。 二二次调整 以系统的功频静特性为基础的频率一次调整的作用是有限的,它只能适应变化幅度小、变化周期较短的变化负荷。 对于变化幅度较大、变化周期较长的变化负荷,一次调整不一定能保证频率偏移在允许范围内,所以,需要进行二次调整。 1概念 电力系统频率的二次调整由主调频厂承担,调频机组通过同步器调整机组的功频静特性,改变机组的有功功率输出,以承担系统变化的负荷,实现无差调节。 2同步器的工作原理 二次调整由发电机组的转速控制机构——同步器来实现。 在人工手动操作或自动装置的控制下,可使杠杆的D点上升或下降。 从上一节的讨论知道,如果D点固定,则当负荷增加引起转速下降时,由机组调速器自动进行的“一次调整”并不能使转速完全恢复。 为了恢复初始的转速,可通过伺服电动机令D点上移。 这时,由于E点不动,杠杆DEF便以E点为支点转动,使F点下降,错油门2的油门被打开。 于是压力油进入油动机3,使它的活塞上移,开大进汽阀门,增加进汽量,使原动机输出功率增加,机组转速随之上升。 适当控制D点的移动,可使转速恢复到初始值。 此过程为发电机的频率二次调整过程,亦称调频过程。 由手动控制同步器的称为“人工”调频,由自动调频装置控制的称为自动调频。 图13-9为调频后发电机组功频静态特性曲线变化。 当机组负荷增加使得转速降低,二次调整后,原功频静态特性2平行右移至1,在同一fN下功率由P2增加到P1。 反之,当机组负荷降低使转速升高,二次调整后,原功频静特性曲线2将平行左移至3,功率由P2降低到P3。 图13-9第13章结构图 3二次调整的过程 为简单起见考虑一台机组和一个负荷的情况,如图13-10所示。 初始运行点为两条特性曲线PD(f)和PG(f)的交点a,系统的频率为f1。 设系统的负荷增加了ΔPD0,在进行一次调整未进行二次调整时,运行点将移到b点,系统的频率便下降到f2。 二次调整后,机组的静态特性上移为P'G(f),运行点也随之转移到b',与此相对应的系统频率为f2'。 系统的频率偏移值为Δf Δf=f2'-f1(13-32) 系统负荷的初始增量ΔPD0由三部分组成 ΔPD0=ΔPGS+ΔPG–ΔPD=ΔPGS-KGΔf–KDΔf(13-33) 其中ΔPGS是由二次调整而得到的发电机组的功率增量(ae);-KGΔf是由一次调整而得到的发电机组的功率增量(ef);-KDΔf是由负荷本身的调节效应所得到的功率增量(fc)。 图13-10第13章结构图 该式即为二次调整时的功率平衡方程。 该式可改写为 ΔPD0-ΔPGS=-(KG+KD)Δf=-KΔf(13-34) 故 (13-35) 由上式可见,进行频率的二次调整并不能改变系统的单位调节功率K的数值,但由于机组输出功率增加了ΔPGS,对于相同的频率偏差Δf,系统能承受的负荷变化量ΔPD0增加了。 或者说对于相同的负荷变化,系统的频率偏移将减小。 当二次调整所得到的发电机组功率增量能完全抵偿负荷的初始增量,即ΔPD0-ΔPGS=0时,频率将维持不变,即Δf=0,这样就实现了无差调节。 而二次调整所得到的发电机功率增量不能满足负荷变化的需要时,则系统只能在较低的频率水平下维持功率平衡。 可见,进行二次调整时,系统中负荷的增减基本上要由调频机组或调频厂承担。 虽可适当增大其它机组或电厂的单位调节功率以减少调频机组或调频厂的负担,但数值毕竟有限。 这就使调频厂的功率变动幅度远大于其他电厂。 如调频厂不位于负荷中心,则这种情况可能使调频厂与系统其他部分联系的联络线上流通的功率超出允许值。 这样,就出现了在调整系统频率的同时控制联络线上流通功率的问题。 此外,大型电力系统的供电地区幅员宽广,电源和负荷的分布情况比较复杂,频率调整难免引起网络中潮流的重新分布。 如果把整个电力系统看作是由若干个分系统通过联络线连接而成的互联系统,那么在调整频率时,还必须注意联络线交换功率的控制问题。 三互联系统的频率调整 大型电力系统的供电地区幅员宽广,电源和负荷的分布情况比较复杂,频率调整难免引起网络中潮流的重新分布。 如果把整个电力系统看作是由若干个分系统通过联络线联接而成的互联系统,那么在调整频率时,还必须注意联络线交换功率的控制问题。 1联合系统 现讨论由两个系统A和B组成的联合系统的情况。 图13-11中,假设系统A和B的负荷变化量分别为ΔPDA和ΔPDB;由二次调整得到的发电功率增量分别ΔPGA和ΔPGB;单位调节功率分别为KA和KB。 联络线交换功率增量为ΔPAB,以由A至B为正方向。 图13-11第13章结构图 2频率增量和交换功率增量 这样,ΔPAB对系统A相当于负荷增量;对于系统B相当于发电功率增量。 因此,对于系统A有 ΔPDA+ΔPAB-ΔPGA=-KAΔfA(13-36) 对于系统B有 ΔPDB-ΔPAB-ΔPGB=-KBΔfB(13-37) 互联系统应有相同的频率,故ΔfA=ΔfB=Δf。 于是,由以上两式可解出 (13-38) (13-39) 上式说明,若互联系统发电功率的二次调整增量ΔPG能同全系统负荷增量ΔPD相平衡,则可实现无差调节,即Δf=0;否则,将出现频率偏移。 现在讨论联络线交换功率增量。 当A、B两系统都进行二次调整,而且两系统的功率缺额又恰同其单位调节功率成比例,即满足条件 (13-40) 时,联络线上的交换功率增量ΔPAB便等于0。 如果没有功率缺额,则Δf=0。 如果对其中的一个系统(例如系统B)不进行二次调整,则ΔPGB=0,其负荷变化量ΔPDB将由系统A的二次调整来承担,这时联络线的功率增量 (13-41) 当互联系统的功率能够平衡时ΔPD-ΔPGA=0,于是有 ΔPAB=ΔPDB(13-42) 系统B的负荷增量全由联络线的功率增量来平衡,这时联络线的功率增量最大。 其它情况下联络线的功率变化量将介于上述两种情况之间。 四主调频厂的选择 在有多台机组并联运行的电力系统中,当负荷变化时,全系统有调整能力的发电机组都参与频率的一次调整,但只有少数厂(机组)承担频率的二次调整。 按照是否承担二次调整可将所有电厂分为主调频厂、辅助调频厂和非调频厂三类,其中,主调频厂(一般是1~2个电厂)负责全系统的频率调整(即二次调整);辅助调频厂只在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参与频率的调整,这样的电厂一般也只有少数几个;非调频厂在系统正常运行情况下则按预先给定的负荷曲线发电。 在选择主调频厂(机组)时,主要应考虑: (1)应拥有足够的调整容量及调整范围; (2)调频机组具有与负荷变化速度相适应的调整速度; (3)调整出力时负荷安全及经济的原则。 此外,还应考虑由于调频引起的联络线上交换功率的波动,以及网络中某些中枢点的电压波动是否超出允许范围。 调整容量取决于负荷变动的幅度、允许的频率偏移以及系统的单位调节功率。 其中系统的单位调节功率取决于各发电机组调速器调差系数的整定值和负荷的频率调节效应。 调整范围: 火电厂的锅炉和汽轮机都有它们的技术最小负荷,其中锅炉约为25%(中温中压,500~520ºC,100大气压)~70%(高温高压,550ºC,180大气压)额定容量;汽轮机约为10~15%额定容量。 换言之,火电厂受锅炉最小负荷的限制,可调容量仅为其额定容量的30%(高温高压)~75%(中温中压)。 水电厂的可调容量既受向下游释放水量的限制又受水轮机技术最小负荷的限制,而这两者又因各水电厂的具体条件不同而不同。 一般情况下,水电厂的可调容量大于火电厂,即使保守估计,也可认为水电厂的可调容量约为其额定容量的50%。 除调整容量外,调整速度也是一个重要问题。 火电厂
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